Роль озонового экрана в развитии и сохранении жизни на Земле

Подождите немного. Документ загружается.

3. Источники возникновения и разрушения озона

Кислород способен превращаться в озон под действием источников

энергии, величина кванта которой достаточна для разрыва связи в его

двухатомной молекуле. Большая часть таких оторванных друг от друга атомов,

очень активных, рекомбинирует снова в двухатомные молекулы, но некоторая

часть - в трехатомные молекулы озона. Наиболее эффективно этот процесс

проходит в верхних слоях атмосферы, на высоте 20-50 км, где под действием

жесткого УФ-излучения Солнца возникает практически весь озон. Сравнительно с

этим то количество озона, которое образуется при грозовых разрядах в других

электрических явлениях на поверхности Земли, ничтожно мало. Таким образом,

синтез озона идет на дневной стороне планеты, причем в тропиках интенсивнее,

чем в средних и высоких широтах.

Естественные колебания содержания озона вызваны, как уже говорилось,

циклическими изменениями активности Солнца и выбросами вулканических газов

при извержении. Произошедшее за последнее десятилетие снижение содержания

озона на 5% связано почти целиком в загрязнением атмосферного воздуха

выбросами промышленности и транспорта. Небольшой вклад в это внесло

извержение вулкана Эль-Чичон в 1981 коду, но снижение содержания озона с тез

пор продолжается. За это время содержание хлора в атмосфере увеличилось в 6

раз, достигнув к 1985 г. 6 тысяч тонн, причем почти весь этот хлор имеет

антропогенное происхождение. Дополнительный вклад в разрушение озона

вносят и окислы азота, количество которых в атмосфере, также за счет

преимущественно антропогенных выбросов, все еще возрастает.

Таким образом, существует три основных версии разрушения озона: 1) Из-за

поступления в атмосферу хлорфторуглеродов (ХФУ). Сюда относятся в первую

очередь фреоны, получившие широкое распространение в холодильных

установках (холодильниках, рефрижераторах), в аэрозольных 1505451

баллончиках, в том числе в косметике, в огнетушителях, при производстве

пенопласта, как растворители и очистители.

В 1974 г. Шервуд Роуланд, Марио Молина из Калифорнийского

университета в Беркли (США) и Поль Крутцен из Германии высказали

предположение, что ХФУ разрушают озон атмосферы. За эту работу они были

удостоены Нобелевской премии.

В 80-х годах XX в. в мире производилось 1,4 млн т ХФУ. Согласно Гринпис

в конце 1995 г. более 50% всех озоновых дыр создается тройкой развитых стран:

США (31%), Японией (12,4%) и Великобританией (9%). Среди промышленных

корпораций самой вредной для озона признана американская компания «Дюпон»,

производственные мощности которой отвечают за 13,7% мировых повреждений

озона. В США потребление озонразрушающих веществ составляет более 8 кг на

душу населения, а в Индии - 9 г.

Фреоны, попавшие в атмосферу, сохраняются там 60-100 лет. Под

действием ультрафиолета они разрушаются и освобождаются свободный хлор,

который взаимодействует с молекулами озона. Каждый атом хлора способен

уничтожить 100 тыс. молекул озона. Типичная твердотопливная ракетная система

- ускорители американского «Спейс шаттла» - в процессе подъема до высоты 50

км выбрасывает 187 т хлора и его соединений, 7 т окислов азота, а также 177 т

окислов алюминия в виде аэрозолей. И это только наиболее опасные для озона

продукты. За один полет «Спейс шаттл» уничтожает до 10 млн т озона, а в

атмосфере его содержится всего лишь 3 млрд т. Трехсот запусков «Спейс шаттл»

достаточно, чтобы полностью уничтожить озоновый слой. В 3-4 раза меньшую

опасность представляют российские ракетные системы «Протон», «Союз» и

особенно «Энергия». 3) Из-за увеличения выбросов окислов азота. Мировое

сообщество принимает меры по защите озонового слоя. В 1985 г. была подписана

Венская конвенция, с 1 января 1989 г. вступил в силу Монреальский протокол,

подписанный в 1987 г., ограничивающий производство и применение химических

веществ, повреждающий озоновый слой. По соглашению, подписанному в

Копергагене в 1992 г., производство ХФУ в развитых странах должно было

прекратиться к концу 1995 г. Однако пик наиболее разрушающего воздействия

ХФУ на озоновый слой придется на начало XXI в., поскольку

хлорфторуглеродами (фреонами), выброшенным в атмосферу сегодня,

понадобиться от 8 до 12 лет, чтобы достичь озонового слоя, где они будут

храниться еще десятки лет, постепенно истощая его.

4. Влияние различных загрязнителей атмосферы на озон

Хлор - наиболее опасный катализатор распада озона. Он активно

соединяется с озоном, давая монооксид хлора и кислорода. В свою очередь

монооксид хлора легко присоединяет второй атом кислорода, при этом хлор

освобождается и может вступить в реакцию со следующей молекулой озона. Одна

молекула хлора за среднее время своего существования в верхних слоях

атмосферы способна разложить 100 тысяч молекул озона. По сравнению с хлором

следующий разрушитель озона - окислы азота - почти безопасен: одна молекула

оксида азота разлагает в среднем всего 10 молекул озона. Опасность оксидов

азота в том, что их содержание в воздухе много выше, чем хлора. Озон могут

разрушать и другие вещества: окись углерода, водород, окись серы, - но они

связывают озон в отношении 1:1 и, по сравнению с хлором и оксидами азота,

могут считаться безвредными.

Хлор попадает в атмосферу различными путями. Некоторое его количество

теряется при утечках и авариях в химической промышленности, где это вещество

широко используется, в частности в органическом синтезе. Но наиболее

значительный «поставщик» хлора в атмосферу - фреоны, соединения фтора и

хлора с углеродом. Фреоны широко используются в миллионах бытовых и

промышленных холодильников как хладагенты, и при самых разных их поломках

большое количество фреонов регулярно попадает в воздух. Оказываясь в

озоновом слое, фреоны под действием того же УФ-излучения легко отщепляют

хлор, который катализирует распад озона. Дополнительный источник попадания

фреонов в воздух создают широко используемые в быту баллончики с

дезодорантами, красками, инсектицидами, распыляющим носителем которых

является фреон. Разбрызгиваемое из баллончиков вещество при использовании

попадает в нужное место, например на окрашиваемую поверхность, а фреон

испаряется и остается в воздухе.

Еще один источник попадания хлора и окислов азота в атмосферу -

реактивная авиация, особенно при полетах на высоте более 20 км, когда выхлоп

двигателей производится в самом озоновом слое. Заметный вклад в разрушение

озона вносят и ракеты самого разного назначения - метеорологические,

исследовательские, выводящие на околоземные орбиты спутники связи,

разведывательные спутники, космические корабли.

Особенно много хлора и окислов азота выделяют твердотопливные

ракетные двигатели. Например, при каждом запуске американского космического

челнока системы «Шаттл» его твердотопливные ускорители на высотах до 50 км,

то есть в самом озоновом слое, выбрасывают 187 тонн хлора и хлористого

водорода и 7 тонн окислов азота. Этого количества хватает на то, чтобы

уничтожить 10 миллионов тонн озона, или 0,3% его общего содержания в

атмосфере. Российская ракета системы «Энергия» использует в качестве топлива

водород и кислород, и поэтому в ее выхлопе полностью отсутствуют хлор и

окислы азота. Небольшое их количество образуется только при контакте

высокотемпературной газовой струи с азотом и кислородом воздуха.

Использование экологически чистого топлива делает ее в 7 тысяч раз менее

опасной для озонового экрана, чем система «Шаттл».

5. Меры по защите озонового слоя

Поскольку наиболее активный разрушитель озонового щита Земли - хлор,

основные меры, разрабатываемые для сдерживания истощения озона, сводятся к

снижению выбросов в атмосферу хлора и хлорсодержащих соединений, прежде

всего фреонов. Одна из главных технологических задач, решения которой ищут во

всех промышленно развитых странах, - замена фреонов на другие хладагенты, не

содержащие хлора и вместе с тем не уступающие фреонам по основным

физическим свойствам и химической инертности. Другая задача, практически уже

решенная в ракетоносителе «Электрон», заключается в переводе ракетной

техники и высотной реактивной авиации на экологически безопасные виды

топлива и двигатели. Окислы азота не полностью вымываются осадками, часть их

достигает высот, на которых существует озоновый слой, и вносит свою лепту

в его истощение. Хотя окислы азота, по сравнению с хлором, в 10 тысяч раз

менее активны как разрушители озона, их выброс в атмосферу многократно

превышает выброс хлора. Это повышает важность разработки двигателей,

энергетических установок, котлов, новых видов топлива и способов его сжигания,

которые сводили бы к минимуму образование и выброс в атмосферу окислов

азота.

Многие страны мира разрабатывают и осуществляют мероприятия по

выполнению Венских конвенций об охране озонового слоя и Монреальского

протокола по веществам, разрушающим озоновый слой.

Согласно международным соглашениям промышленно развитые страны

полностью прекращают производство фреонов и тетрахлорида углерода, которые

также разрушают озон, а развивающие страны - к 2010 г.

Вторым этапом должен стать запрет на производство метилбромидов и

годрофреонов. Уровень производства первых в промышленно развитых странах с

1996 г. заморожен, гидрофреоны полностью снимаются с производства к 2030 г.

Однако развивающиеся страны до сих пор не взяли на себя обязательств по

контролю над этими химическими субстанциями. Для использования в качестве

пропеллента в аэрозолях уже найден неплохой заменитель ХФУ - пропан-

бутановая смесь. По физическим параметрам она практически не уступает

фреонам, но, в отличие от них, огнеопасна. Тем не менее такие аэрозоли уже

производятся во многих странах, в том числе в России. Сложнее обстоит дело с

холодильными установками — вторыми по величине потребителями фреонов.

Дело в том, что из-за полярности молекулы ХФУ имеют высокую теплоту

испарения, что очень важно для рабочего тела в холодильниках и кондиционерах.

Лучшим известным на сегодня заменителем фреонов является аммиак, но он

токсичен и все же уступает ХФУ по физическим параметрам. Неплохие

результаты получены для полностью фторированных углеводородов. Во многих

странах ведутся разработки новых заменителей, но полностью эта проблема не

решена.

Восстановить озоновый слой над Антарктидой при помощи запуска

специальных воздушных шаров с установками для производства озона надеется

английская группа защитников окружающей среды, которая называется «Помоги

озону». Один из авторов этого проекта заявил, что озонаторы, работающие от

солнечных батарей, будут установлены на сотнях шаров, наполненных водородом

и гелием.

Несколько лет назад была разработана технология замены фреона

специально подготовленным пропаном. Ныне промышленность уже на треть

сократила выпуск аэрозолей с использованием фреонов. В странах ЕЭС намечено

полное прекращение использования фреонов на заводах бытовой химии.

7. Механизмы вредного воздействия жесткого УФ-излучения

Как и другие ионизирующие излучения, жесткие УФ-лучи характеризуются

энергией квантов, достаточной для разрыва не только электростатических,

ионных связей между атомами, но и многих ковалентных. Образующиеся при

таком разрыве «обломки» молекул со свободными валентными связями, т^к

называемые свободные радикалы, обладают очень высокой химической

активностью. Возникая в подвергшейся облучению живой клетке, свободные

радикалы активно разрушают многие молекулы, в частности белков и

нуклеиновых кислот.

При больших дозах облучения возникает лучевая болезнь — результат

нарушения многих процессов в клетках. Но даже небольшие дозы, не

вызывающие симптомов лучевой болезни, могут вызвать как непосредственные,

так и связанные с активностью свободных радикалов, нарушения в структуре

ДНК. Это означает повышение частоты мутаций в облученных клетках. Мутации

происходят в основном в поверхностных клетках, которые непосредственно

подвергаются действию облучения. Мутации в клетках тела, соматических,

приводят к повышению вероятности их ракового поражения. Для человека

жесткое УФ-облучение повышает вероятность заболевания, прежде всего раком

кожи, в частности быстротекущую злокачественную меланому, а так же катаракту

и иммунную недостаточность, не говоря уже об обычных ожогах кожи и

роговицы. Впрочем, свободные радикалы, возникшие под действием УФ-

облучения, как и токсические продукты их взаимодействия с различными

органическими молекулами клеток и крови, могут с током крови разноситься по

всему организму, повышая вероятность возникновения онкологических

заболеваний различных органов, а их проникновение в половые железы, вызывая

мутации в клетках - гамет (яйцеклеток и сперматозоидов), повышает вероятность

наследственных заболеваний, в частности различных уродств.

Казалось бы, количество озона в атмосфере очень велико — около 3

миллиардов тонн. Это, однако, ничтожная доля от всей атмосферы. Если бы весь

озон атмосферы находился в приземном слое воздуха, то при «нормальных

условиях» (давление 1 атмосфера и температура 25 градусов Цельсия) толщина

озонового экрана, защищающего Землю от жесткого УФ-излучения Солнца,

составляла бы всего около 3 мм. Вместе с тем эффективность озонового экрана

очень велика. В частности, специалистами рассчитано, что снижение содержания

озона на 1% ведет к такому повышению интенсивности УФ-облучения

поверхности, в результате которого количество смертей от рака кожи возрастает

на 6-7 тысяч человек в год.

Интересно эту цифру рассмотреть с точки зрения нашего восприятия

степени опасности экологических нарушений. Каждый запуск американского

космического корабля многоразового пользования «Шаттл» уничтожает до 10

миллионов тонн озона, или около 1,3% всего его количества. Значит, это приведет

к гибели от рака кожи, по крайней мере, 1000 человек. Однако эта абстрактная

тысяча безвестных умерших нам незнакома, их гибель растянута во времени и

умирают они в разных странах. В каждом конкретном случае нельзя сказать, что

рак кожи у данного больного был вызван именно повышенным УФ-облучением.

И эта тысяча умерших не вызывает у нас сильной эмоциональной реакции, какую

вызвало в свое время известие о гибели 6 американских астронавтов при одном

запуске «Шаттла», сопровождавшееся к тому же многократным показом

видеозаписи взрыва корабля через несколько десятков секунд после старта.

Конечно, гибель этих отважных людей - страшная трагедия. Но еще большая

трагедия - наше равнодушие к мучительной смерти тысячи людей, погибающих

после каждого удачного запуска «Шаттла». Мы ведь не знаем, кто именно и в

какой стране погиб из-за того, что твердотопливные ускорители ракетной

системы выбросили прямо в озоновый слой свои 187 тонн хлора.

Разрушение озонового слоя связано и с другими проблемами глобальной

экологии. В частности, повышение интенсивности ультрафиолетового облучения

поверхности Земли может повлиять и на интенсивность эволюционных

процессов. Мутагенная активность УФ-излучения влияет ведь не только на

человека. Все виды наземных растений и животные, ведущие дневной образ

жизни, подвергаются его воздействию. Повышение частоты мутаций не проходит

бесследно для видов, входящих в состав наземных экосистем. Для видов

многочисленных повышение частоты мутаций может, ценой гибели особей,

получивших мутации летальные или сублетальные, создать дополнительные

возможности приспособления и размножения генетических линий, получивших

мутации, случайно оказавшиеся положительными. Однако множество видов в

современной ситуации уже находятся на грани исчезновения или снижения

численности до опасного уровня. Поскольку абсолютное большинство мутаций

нарушают приспособленность видов к условиям их существования и тем самым

снижают выживаемость, вероятность исчезновения для многих видов может

повыситься. Это обострит проблему сохранения биоразнообразия.

Все глобальные экологические проблемы взаимосвязаны, и ни одна из них

не должна рассматриваться в изоляции от других. Решать их придется более или

менее одновременно, даже если острота какой-то одной будет казаться

несопоставимой с другими и требовать самых срочных действий. Необходимо

срочно принимать меры к охране озонового слоя: разрабатывать безвредные

хладагенты, способные заменить фреоны в промышленности и в быту,

экологически безопасные двигатели самолетов и космических ракетных систем,

разрабатывать технологии, уменьшающие выбросы окислов азота в

промышленности и на транспорте. Существующие международные соглашения

по озону, Венская международная конвенция по охране озонового слоя и

Монреальский протокол, обязывающий подписавшие его государства вести

работу в конкретных направлениях, пока недостаточно эффективны.